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Klimaforschung: Warum das Eiszeitklima Kapriolen schlug

Im Verlauf der Eiszeit kam es immer wieder zu kurzfristigen starken Erwärmungen. Mit Computermodellen ist es jetzt gelungen, die seltsamen Temperatursprünge zu erklären.


Im Jahre 1989 brachen zwei Forscherteams, ein europäisches und ein amerikanisches, ins unwirtliche Innere Grönlands auf. In 3200 Metern Höhe, mitten auf dem riesigen Eispanzer, der fast die ganze Insel bedeckt, errichteten sie rund dreißig Kilometer voneinander entfernt ihre Lager. Ihr Vorhaben war so ausgefallen wie der Ort: ein Loch bis zum Felsuntergrund zu bohren und so Proben der grönländischen Eisdecke über deren gesamte vertikale Ausdehnung hinweg zu gewinnen. Doch die Strapazen sollten sich lohnen: Das Unternehmen hat unser Wissen über die Geschichte des Erdklimas entscheidend vertieft und gilt inzwischen als eine der wissenschaftlichen Glanzleistungen des 20. Jahrhunderts.

Fünf Jahre lang wurde in den Sommermonaten – von April bis September – unermüdlich gebohrt. Rund um die Uhr fraß sich das hohle Bohrgestänge Meter um Meter in die Tiefe. Je weiter es vorstieß, desto älter wurde das heraufgeholte Eis. Denn auf Grönland haben sich die winterlichen Schneefälle im Laufe der Zeit zu Zigtausenden von Schichten übereinandergetürmt, die sich unter dem Druck der wachsenden Auflast verdichteten und vergletscherten.

Das europäische Team erreichte 1992 den Felsgrund, das amerikanische 1993. Die Bohrkerne wurden in Kühlkisten verpackt und in Speziallabors nach Kopenhagen, Bern und Denver transportiert. Wie die Auswertung zeigte, überspannten sie einen Zeitraum von mehr als hunderttausend Jahren.

Ausgefeilte Analyseverfahren erlauben, in den Bohrkernen fast wie in einem Buch zu lesen – jede winterliche Schneeschicht eine Seite. Ähnlich wie bei Baumringen erkennt man so, wie die Temperaturen und Niederschlagsmengen sich mit den Jahren geändert haben. Der Gehalt an Staub und Meersalz gibt zudem Aufschlüsse über die vorherrschenden Winde, und eingeschlossene Luftbläschen verraten die Zusammensetzung der einstigen Atmosphäre.

Die in diesem eisigen Buch aufgezeichnete Geschichte war schockierend. Bis dahin galt, dass sich das Klima in langsamen Zyklen ändert – wie dem hunderttausendjährigen Eiszeitzyklus, der durch kleine Unregelmäßigkeiten der Erdbahn um die Sonne entsteht und bereits aus Bohrungen in Tiefseesedimenten bekannt war. Doch die Eiskerne mit ihrer hohen zeitlichen Auflösung enthüllten erstmals klipp und klar dramatische Klimasprünge. Demnach waren die Temperaturen in Grönland wiederholt innerhalb weniger Jahre um acht bis zehn Grad emporgeschnellt und erst nach Jahrhunderten zum normalen kalten Eiszeitniveau zurückgekehrt.

Weltweite plötzliche Temperatursprünge

Diese abrupten Klimawechsel werden nach ihren Entdeckern Willi Dansgaard aus Kopenhagen und Hans Oeschger aus Bern "Dansgaard-Oeschger-Ereignisse" (kurz D/O-Events) genannt. Mehr als zwanzig zählte man während der letzten Eiszeit. Ihre Ursachen zu entschlüsseln ist seither eine der Kernfragen der Klimaforschung.

Bestätigung für die frappierenden Daten aus dem Eis kam wenig später auch vom Meeresgrund. Amerikanischen Forschern gelang es, Sedimentbohrkerne aus dem Atlantik in ähnlich guter Auflösung wie die Eiskerne zu gewinnen. Die Schlammschichten aus der Tiefsee, zum Teil tausende Kilometer von Grönland entfernt in subtropischen Breiten gewonnen und mit gänzlich anderen Methoden analysiert, verzeichneten Zacken für Zacken exakt dieselben Klimawechsel wie das Grönlandeis. Die dramatischen Dansgaard-Oeschger-Ereignisse waren also sehr weiträumige Phänomene, die zumindest den ganzen Nordatlantikraum erfassten. Und Spuren davon fanden sich sogar in Neuseeland und der Antarktis.

Was war ihre Ursache? Eines machten die Tiefseedaten klar: Mit jedem Klimawechsel in Grönland mussten sich auch die großräumigen Strömungen in den Ozeanen deutlich geändert haben. Michael Sarnthein, Meeresgeologe an der Universität Kiel, erkannte in den Daten aus dem Meeresschlamm drei unterschiedliche Strömungszustände. In dem einen reichte der warme Nordatlantikstrom (der verlängerte Arm des Golfstroms) so wie heute bis vor die Küsten Skandinaviens. Im zweiten hörte die Strömung dagegen schon südlich von Island auf, und im dritten war sie offenbar ganz ausgefallen.

Um Phänomene wie die abrupten Temperatursprünge während der Eiszeit zu verstehen, modellieren meine Kollegen und ich am Potsdam-Institut für Klimafolgenforschung seit einigen Jahren das irdische Klimasystem im Computer. Dabei versuchen wir die wesentlichen Aspekte dieses Systems – wie Meeresströmungen und Winde, Luft- und Wassertemperaturen, Wolken und Eis – aus den Grundgleichungen der Thermo- und Hydrodynamik sowie aus empirischen Beziehungen für die gesamte Erde zu berechnen. Dies wird nie exakt gelingen, aber die Klimasimulation ist wenigstens erheblich leichter als das Geschäft der Meteorologen: Während das Wetter vom Chaos (im physikalischen Sinne) regiert wird und daher nur sehr begrenzt vorhersagbar ist, trifft das auf die über Jahre gemittelten Kenngrößen des Klimas zum Glück nicht zu.

Vor drei Jahren vermochten wir erstmals die Klimaverhältnisse auf dem Höhepunkt der letzten großen Eiszeit vor rund 20000 Jahren zu simulieren (Spektrum der Wissenschaft 5/98, S. 16). Schon damals zeigte sich, dass Änderungen der Atlantikströmungen eine wichtige Rolle bei der Abkühlung der Nordhalbkugel spielten.

Umwälzpumpe im Atlantik

Seither haben mein Potsdamer Kollege Andrey Ganopolski und ich das Verhalten der Meeresströme unter Eiszeitbedingungen in einer Vielzahl weiterer Experimente systematisch untersucht. Dabei gewannen wir ebenso faszinierende wie überraschende Einsichten, die den Mechanismus der abrupten Klimasprünge erklären könnten.

Die drei von Sarnthein beschriebenen Strömungszustände des Atlantiks zeigten sich auch in unserem Computermodell. Aber nur einer davon erwies sich unter Eiszeitbedingungen als stabil: der mittlere, bei dem die warme Strömung südlich von Island endet. Die beiden anderen Zustände – der heutige und der ganz ohne warme Strömung – ließen sich durch gezielt ins Modell eingeführte Störungen zwar erreichen, der Atlantik fiel aber nach einigen hundert Jahren von selbst wieder in seinen einzig stabilen Modus zurück.

In einem warmen Klima wie dem heutigen verhält es sich dagegen umgekehrt: Wie unser Modell zeigt, sind nun gerade die beiden Zustände beständig, die unter Eiszeitbedingungen instabil waren; den dominierenden Eiszeitzustand findet man dagegen überhaupt nicht.

Welche Störungen konnten seinerzeit den Übergang in einen der instabilen Strömungszustände auslösen? Dazu muss man wissen, dass die Umwälzpumpe des Atlantiks im Absinken von Wasser hoher Dichte im Nordmeer besteht. Ihre Leistung hängt vor allem vom Süßwassereinstrom in den Nordatlantik ab, also von der Gesamtmenge aus Niederschlag, Fluss- und Schmelzwasser abzüglich der Verdunstung. Dieser Zufluss bestimmt den Salzgehalt des Meerwassers, der seinerseits die Dichte und damit die Absinktendenz beeinflusst. Will man die Umwälzpumpe ankurbeln, muss man also lediglich den Zustrom von Süßwasser drosseln und umgekehrt. Weil die Strömung auch selbst Salz mit sich bringt, kommt es zu einem positiven Rückkopplungseffekt, der zu dem eigenartigen nicht-linearen Verhalten des Atlantiks führt.

Die Modellrechnungen legen nahe, dass das atlantische Strömungssystem während der Eiszeit regelrecht auf der Kippe stand. Äußerst geringe Variationen im Süßwasserzufluss – insbesondere im Nordmeer, wo das System besonders empfindlich ist – konnten es von seinem stabilen, kalten Zustand in einen anderen umkippen lassen, der eher dem heutigen ähnelt. Dieser war aber unter Eiszeitbedingungen – anders als heute – nicht stabil, sodass das Klima nach einer gewissen Zeit von alleine wieder zurückkippte.

Daraus ergibt sich ein plausibles Szenario für die rätselhaften Dansgaard-Oeschger-Ereignisse. Offenbar drang durch eine kleine Störung des Süßwasserhaushaltes im Nordmeer plötzlich warmes Atlantikwasser an Island vorbei nach Norden vor. Es ließ das Meereis schmelzen und löste innerhalb von wenigen Jahren eine Erwärmung der ganzen Region aus. Im Laufe einiger Jahrhunderte erlahmte die Strömung dann wieder, bis ein kritischer Punkt unterschritten wurde und der warme Strom abbrach.

Mit seinem Temperaturverlauf kann dieses Szenario unter anderem die drei charakteristischen Phasen eines D/O-Events erklären (Bild auf Seite 12). Außerdem lässt sich damit die räumliche Ausdehnung der Erwärmung und die zeitverzögerte Reaktion in der Antarktis verstehen.

Was in diesem Szenario noch fehlt ist der Auslöser. Wodurch kam es immer wieder zu der Störung im Nordmeer? Die Daten aus dem Grönlandeis weisen auf einen rätselhaften Zyklus von 1500 Jahren Dauer hin, den Gerard Bond von der Columbia-Universität in New York entdeckt hat. Er findet sich in einer Vielzahl von Klimadaten wieder.

Eine 1500-Jahre-Schwingung

Möglicherweise handelt es sich um einen periodischen Vorgang in der Sonne – dies ist noch umstritten. Jedenfalls steht fest, dass das Zeitintervall zwischen zwei D/O-Events oft gerade 1500 Jahre beträgt, manchmal auch 3000 oder 4500 – als gäbe es eine regelmäßige Schwingung, der es aber nicht jedes Mal gelingt, einen Temperatursprung auszulösen.

Auch die unregelmäßige Abfolge von D/O-Events lässt sich in unserem Modell gut reproduzieren. Man muss nur als Auslöser eine schwache 1500-jährige Sinusschwingung mit Zufallsschwankungen (also Wetter) kombinieren, dann werden die Klimawechsel durch ein Phänomen ausgelöst, das Physiker "stochastische Resonanz" nennen.

Weshalb ist das Klima unserer momentanen Warmzeit (dem Holozän) offenbar viel stabiler als das der letzten Eiszeit? Seit mehr als 10000 Jahren hat es keine D/O-Events mehr gegeben. Immerhin tritt die 1500-Jahres-Schwingung in schwacher Form weiterhin auf – die so genannte "kleine Eiszeit" im 16. bis 18. Jahrhundert war die letzte kalte Phase dieses Zyklus.

Unsere Modellrechnungen beantworten möglicherweise auch diese Frage. Demnach wäre das Holozän deshalb so stabil, weil im warmen Klima eine andere Atlantikströmung herrscht. Sie steht nicht wie der Eiszeitzustand auf der Kippe und lässt sich von den 1500-jährigen Klimaschwingungen daher nicht stören. Um die heutige Strömung zu ändern, sind nach unseren Berechnungen wesentlich größere Eingriffe nötig. In absehbarer Zeit könnte nur der menschliche Treibhauseffekt die erforderliche Größenordnung erreichen – die bekannten natürlichen Klimazyklen sind dagegen zu schwach. Insofern enthält das Eis aus Grönland auch eine deutliche Warnung: Das Klimasystem ist kein träges und gutmütiges Faultier, sondern kann sehr abrupt und heftig reagieren.

Aus: Spektrum der Wissenschaft 9 / 2001, Seite 12
© Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft mbH
9 / 2001

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum der Wissenschaft 9 / 2001

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